GIL 導電回路交流電阻測試系統的設計*

馬 泉，高曉軍，趙 哲，鄭 歡*

（1.江蘇送變電有限公司，江蘇 南京210028；2．哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱150080）

引言

氣體絕緣輸電線路（gas-insulated transmission lines，GIL）是采用金屬外殼封閉導電桿、壓縮氣體（主要是SF6、SF6/N2混合氣體等）絕緣、外殼與導電桿同軸布置的電能傳輸設備[1-4]，隨著我國電網技術的進步，GIL 設備的發展日趨受到人們的廣泛關注。GIL 設備導電回路作為輸送電能的主要載體，其交流電阻直接影響其輸送容量及線路損耗[5]。

2019 年9 月26 日蘇通GIL 綜合管廊工程正式投運，該工程是目前世界上電壓等級最高、輸送容量最大、技術水平最高的超長距離GIL 創新工程。GIL 導電回路的電氣性能一般以直流電阻為指標[6]，而正常工作時流過的電流為交流，載流量大，由于集膚效應和鄰近效應的作用，使導體截面和連接處電流分布不均勻，導致導電桿的交流電阻要高于直流電阻，同時觸頭連接狀態的改變導致接觸電阻的變化，引起導體回路溫升過高[7]。為此，本文研發了GIL 導電桿交流電阻測試系統，目的在于測試GIL 導電桿的交流電阻，從而實現GIL 導電回路電氣性能的評價。

1 交流電阻測試系統的原理及組成

目前，國內尚無大截面導體交流電阻測試的相關標準，也沒有便攜式的標準交流電阻器可供使用，所以無法效仿直流電阻測試方法通過標準電阻來進行檢驗。交流電阻檢測方法主要有電測法和量熱法，電測法通常是根據導體中電流與電壓的向量關系獲得交流電阻的方法[8]。電測法有功率計＋電位計法、交流電橋法、電壓補償疊加法和快速傅里葉變換法等[9-10]。

交流阻抗是指在某一頻率正弦波作用下電壓向量與電流向量之比[11]。由歐姆定理可知，交流電壓與交流電流的比值即為被測交流阻抗Zx，如果以電流為參考，則：

式中，U˙為被測阻抗Zx上的電壓，|U|、θU分別為U˙的模值和相角，I˙為作用在被測阻抗Zx上的電流，|I|為I˙的模值，|Zx|為Zx的模值。

通過測量交流阻抗得到交流電阻RAC為：

由上式可知，要想得到交流電阻，必須要測量出同頻率激勵電流有效值和被測阻抗Zx上的電壓有效值及相對于電流參考的電壓相位，本文以電流信號為參考采用鎖相放大器實現電壓的測量，電流采用高速數字采集技術實現電流有效值的測量。

1.1 測試系統硬件的設計

本測試系統的硬件部分，包括多功能DAQ 設備、電壓控制電流源、高精密電流互感器、鎖相放大器以及計算機等。測試系統硬件組成如圖1 所示。

圖1 測試系統硬件的組成

圖2 電壓控制電流源原理圖

鎖相放大器選用美國Signal Recovery 公司的7230型鎖相放大器，電流互感器采用深圳市知用電子有限公司的CTA200 型穿心式高精密電流互感器，電壓控制電流源則是以PA52 型功率放大器為核心，采用改進型Howland 電流源的工作原理設計的電壓控制電流源，最大輸出電流峰值可達150A，其原理圖如圖2 所示[12]。

多功能DAQ 設備選用美國NI 公司USB-6212 型，該多功能DAQ 設備具有16 路模擬輸入，A/D 的位數為16 位，單通道采樣率為400kS/s 的高速數據采集，2 路模擬輸出，D/A 位數為16 位，采樣率為250kS/s 的模擬信號輸出。多功能DAQ 設備D/A 轉換器實現交流模擬正弦波電壓的產生，電壓控制電流源的作用是將交流電壓轉換為交流電流；高精密電流互感器的作用是將流過GIL 導電桿的電流轉換為小電流，通過輸出端并聯的高精密電阻R 轉換為電壓，多功能DAQ 設備的A/D 轉換器將電壓轉換為數字電壓信號，并傳輸到計算機；鎖相放大器以高精密電阻上的電壓為參考，獲得GIL 導電桿上被測電壓的有效值和相位信息；計算機通過對電壓和電流信息進行處理，并根據公式（2）得到交流電阻。

1.2 測試系統軟件的設計

本測試系統軟件部分以LabVIEW 圖形化語言[13]開發，軟件部分包括模擬電壓發生、鎖相放大器測試電壓和采集電流波形三部分，模擬電壓發生部分實現模擬正弦波電壓的發生，鎖相放大器測試電壓部分通過控制鎖相放大器獲得被測電壓信息，采集電流波形部分實現精密電阻R 上的時域波形的測量，并計算得到激勵電流的有效值。測試系統前面板和程序流程圖如圖3、圖4 所示。

2 交流電阻測試系統誤差分析

由測試系統工作原理可知，需要對激勵電流和阻抗上的電壓信號進行測量，按測試對象可分為電壓測試回路和電流測試回路兩部分。電壓測試回路主要由放置于導體表面的電極和鎖相放大器組成，測試誤差主要取決于鎖相放大器的性能和參考信號的角差，7230 型鎖相放大器靈敏度為10nV～1V，最大輸入電壓為±12V，增益精度為±1%（最大），相位分辨率為0.01°。電流測試回路主要由高精密電流互感器、精密電阻R 和多功能DAQ 設備組成，CTA200 型高精密電流互感器利用磁通門技術實現最大測量電流峰值為200A，電流精度為小于±0.03%，精密電阻R 的阻值為20Ω，精度為±0.1%。該測試系統電壓測試回路噪聲小于1μV，電流測試回路噪聲小于0.2A。電源部分的電壓控制電流源對D/A 轉換器發出的模擬信號有相移，由于電流是通過穿心電流互感器直接獲得，鎖相放大器是以電流為參考測量電壓。因此，電壓控制電流源的相移對電壓測試結果沒有影響。

為了對電流和電壓測試回路進行校正，以一個峰值為5A 的正弦波電流作為激勵，通過增加電流互感器一次側線圈的匝數到10 匝，產生一個等效幅值為50A 的電流，利用一個理論阻值為0.2Ω 電阻對電流和電壓測試回路進行校正，電流和電壓測量回路校正原理圖如圖5、圖6 所示。

圖3 測試系統界面

圖4 程序流程圖

圖5 電流測試回路校正原理圖

圖6 電壓測試回路校正原理圖

電流測試回路的誤差主要是電流幅值誤差，校正方法是通過多功能DAQ 設備測試精密電阻R 上的電壓，并與吉時利DMM7510 測試電阻上的電壓值進行比較，修正電流有效值的誤差；電壓測試回路的誤差分為幅值誤差和相位誤差，相位誤差是以精密電阻R 上的電壓信號為參考，通過鎖相放大器測量0.2Ω 電阻上的電壓，并與電流測試回路結果進行比較，修正電壓有效值和相角的誤差。利用阻抗分析儀IM3570 分析0.2Ω 電阻的頻率特性，采用R和L 串聯等效電路模型分析電阻的頻率特性，不同頻率下，電阻值R 和殘余電感值L 的測試結果如圖7 所示。電流和電壓測試回路的測試結果如圖8、圖9 所示。

通過對圖7、圖8 數據的分析可知，測試頻率在30Hz～300Hz 范圍內，0.2Ω 電阻的殘余電感小于0.28μH，電流有效值誤差不大于0.2%，當采用誤差平均值0.107%進行修正時，修正后的電流有效值誤差將在±0.1%以內。由圖9 可知，當用鎖相放大器測試電壓時，電壓幅值誤差小于0.5%，平均值為0.313%，這與鎖相放大器的增益誤差相符。電壓的角差小于0.28°，通過對數據進行多項式擬合分析，發現擬合后殘差最大值為0.0061°，表明擬合值能夠真實反映角差隨頻率的變化關系，測試系統通過擬合曲線對電壓的相角修正，相角誤差將控制在±0.01°以內。

綜上所述，本測試系統能夠在30～300Hz 內實現GIL導電回路阻抗和交流電阻的測試，根據函數誤差的綜合可知[14]，阻抗幅值誤差不超過±0.5%，相位誤差不大于0.01°。

圖7 0.2Ω 電阻的頻率特性

圖8 電流有效值的誤差

圖9 電壓的測試誤差

3 測試系統的驗證性試驗

出于驗證本測試系統的目的，對一段GIL 導電桿的交流電阻進行了測試。試樣為1100kV GIL 設備用導電桿，GIL 試樣全長5.7m，分為2 段，長度分別為4.2m 和1.5m，2 段通過觸頭插接連接。采用四端鈕接法測試，為了消除端部電流的不均勻性，電位測試端與電流端的間距不小于3 倍的導體直徑。本文在標準段上選取2m 長GIL 導電桿作為測試對象，測試原理圖和實物如圖10、圖11 所示。

在正弦波激勵下，對不同頻率下GIL 試樣2m 長標準段的交流電阻進行了測試，測試結果如圖12 所示。

圖10 交流電阻測試原理圖

圖11 GIL 導電桿實物

圖12 不同頻率下GIL 試樣的交流電阻

從圖12 可以看出，交流電阻隨著頻率的增加而逐漸增大，但交流電阻增量有減小的趨勢。此外，由于測試環境的干擾和鄰近效應等因素的影響，GIL 導電桿的交流電阻隨著頻率的升高波動性也將變大。

為了分析測試系統測量結果的準確性，通過解析法理論獲得交流電阻的理論值，由文獻[5]給出的計算過程，可知特高壓GIL 的單位長度工頻參數為：自阻抗為4.53+j77.9μΩ/m、自電容為44.8pF/m。

2m 長標準段GIL 導電桿交流電阻的理論值為9.06μΩ，實測值為9.77μΩ，測試結果的相對誤差為7.8%。產生測試誤差的原因：（1）GIL 設備導電桿與外殼同軸布置，自阻抗包括導電桿的阻抗、導電桿與外殼之間的絕緣阻抗和外殼的阻抗等，被測導電桿為空心導體，沒有考慮阻抗之間的相互作用。（2）理論值是根據理想直圓柱體模型計算，并未考慮實際導體材料特性和幾何尺寸差異的影響。

4 結論

本文通過理論分析提出了通過正弦波電流激勵下交流電阻的測試來研究GIL 導電回路的電氣特性，并研發相應的測試系統。利用一個阻值為0.2Ω 電阻對電流和電壓測試回路進行校正，確定了測試系統的精度，表明在30～300Hz 頻率范圍內該測試系統阻抗幅值誤差不超過±0.5%，相位誤差不大于0.01°。最后對一段GIL 導電桿進行了交流電阻測試，得到了不同頻率下GIL 導電桿的交流電阻的變化趨勢，表明該測試系統能夠實現交流電阻的測試，驗證了系統設計的合理性。